脊柱力学动态平衡系统介绍

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1、脊柱力學動態平衡系統       脊柱是人體的支柱，架構複雜而穩定，在靜力學和動力學上都有自己的特點。它有以下基本的生物力學機能︰支援頭和軀幹，保持頭和上半身的平衡；將頭和軀幹的重力力矩透過骨盆傳遞給下肢，協調各部分之間的生理活動；吸收作用於脊柱的外力和震盪力，保護脊髓和神經根免遭外力損傷；參與形成顱腔、胸腔、腹腔和盆腔，支援和保護這些腔內的臟器。與其它的人體架構相比，脊柱更易因力學平衡失調而造成損害，形成臨床上所謂的脊柱病和脊柱相關疾病(脊柱系統疾病)。因此本章重點介紹脊柱的生物力學特點和動態平衡原理，從而探討脊柱系統疾病發生的力學原因。脊柱的基本力學構造 

2、正常人的脊柱由３２～３４塊椎骨構成，包括７塊頸椎、１２塊胸椎、５塊腰椎、５塊融合在一起的薦椎和３～５塊融合在一起的尾椎。這些椎骨透過２３個椎間盤、１３４個關節和周遭許多強勁的肌肉、韌帶等軟組織連接在一起。此外，在脊柱內外還有供應能量的血管、控制或傳遞訊息的神經、經絡等網路系統等。以上各部分共同構成了一個嚴密穩定的動態的力學平衡架構體系──脊柱。 從生物力學角度來看，脊柱由剛度比較大的椎骨和剛度較小的椎間盤以及附著在脊柱上的肌肉、韌帶等軟組織組成。分別對椎骨和椎間盤的力學特性的研究證明，椎骨大體上屬於彈性材料，而椎間盤和韌帶等屬於粘彈性材料。在類比人體屈曲狀態下

3、，對新鮮腰段脊柱的長期載荷效應研究表明︰脊柱具有潛變、鬆弛等粘彈性性質。潛變是指對實驗材料施加一個固定不變的載荷時，隨著時間的延長，實驗材料的變形速度逐漸增加的現象。鬆弛是指將實驗材料固定在一定的變形之下，實驗材料內部的應力隨著時間的延長而逐漸減小的現象。在生理載荷範圍之內，隨著時間的延長，脊柱的潛變變形不斷增加，載荷鬆弛不斷衰減。在標準載荷作用下，腰段脊柱的潛變和鬆弛均是在最初的10分鐘內變化較大。在載荷固定在100牛頓時，最初10分鐘內的平均變形速率達到相對平衡點潛變的40％，載荷下降占最大載荷的40％。但同樣在100牛頓的載荷作用下，椎體的棘上韌帶的潛變

4、率很小，與相對平衡點的潛變值接近，所以腰段脊柱的潛變和鬆弛主要是由椎間盤的特性造成的。 脊柱在無負載的自然情況下所受到的力主要包括人體的重力、支援反作用力、韌帶張力和肌肉的收縮力。人體的重力通常垂直於水面平，支援反作用力則與重力方向相反、大小相等。如果身體的長軸相對於支援面呈某種角度，則按照力的平行四邊形法則，反作用力可被分解為兩個分力；一個為水準分力，一個為垂直分力。韌帶張力和肌肉的收縮力使脊柱的各個部分或各質點之間產生運動，因此產生相互作用的力。 在不同運動狀態下，脊柱各節段的受力情況和力學特性也有所不同。洪水棕等以新鮮頸段脊柱為材料，測定了在前屈、後伸、

5、側屈位置下受到靜載荷和衝擊載荷作用時的應力、應變分佈與傳播情況，發現下同等數值的靜載荷或衝擊載荷作用下，由於頸椎處於不同的屈伸位，也會引起各頸椎骨的鉤椎關節的應力值及其分佈規律發生變化。在使頸段脊柱前屈15°位置，並給與3Kg(相當於正常人體頭部重量)的載荷時，應力與應變呈線性變化關係。各頸椎前緣和鉤椎關節基本上承受壓縮應變，其中以第4頸椎前緣和第5頸椎的鉤椎關節的應變值最大。但使頸段脊柱處於後伸15°狀態時，最大應變位置位於第6頸椎前緣和鉤椎關節，而且應變和應力為非線性變化關係。說明在前屈狀態下，載荷主要由頸椎骨承受，而後伸狀態時，由於肌肉、韌帶等粘彈性材料

6、和頸椎後方的關節突、棘突等架構的作用，使頸段脊柱表現出粘彈性特性，顯示了生物複合架構的特性。人體脊柱即使處於相同的屈伸位置，但由於承受載荷的靜、動性質差異，其應力值及其分佈規律也不相同。承受正常靜態重量時，脊柱的應力、應變較小，在衝擊載荷作用下，可產生較大的應力、應變，外來暴力容易使脊柱的應力急劇加大，造成急性外傷或骨質病變。（一）椎骨的生物力學特性 最早關於人類椎骨生物力學的研究大約是一百年前Messerer對椎體強度的測試，從那時起，人們對椎骨力學性能的認識不斷深入，大部分研究集中在椎體的力學性能研究上。 圖5-1頸3~腰5椎骨的抗壓強度 １．椎體 早期的

7、生物力學是對椎體抗壓強度測試的研究。特別是噴氣機駕駛員跳傘時的彈射問題，如何選擇合適的加速度方能不致於造成脊柱損傷，促進了這一問題的深入研究。一般說來，椎體的強度隨著年齡的增長而降低，特別是在40歲以後，發生明顯的降低。圖5-1為頸3至腰5椎體的抗壓強度。從圖中可見，一個椎體的骨組織若減少25%，可使其強度降低50%以上。近年的研究表明，骨的礦物質含量與骨的強度有著極其密切的關係。更進一步的研究是將椎體分離成皮質骨殼、松質骨核及終板來測試。 （1）皮質骨殼︰椎體是脊柱的主要負載成分。但椎體的主要負載部分是皮質骨殼還是松質骨核？這個問題曾引起了很長時間的爭論。有

8、人認為椎體主要靠皮質骨殼來負載，有人則